淺談鑄造鋁合金常用生產工藝

尹華成

摘 要：現代鑄造鋁合金按主要加入的元素可分為4個系列，即：鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系及鋁鋅系。對這4個系列，各國都有相應的合金和合金牌號的標記。中國采用ZL+3位數字標記法，第一位數字表示合金系，其中：1表示鋁硅合金系，2表示鋁銅合金系，3表示鋁鎂合金系，4表示鋁鋅合金系，第二、三位數字表示合金序號。中國的幾種典型鑄造鋁合金如表所示，根據合金的使用特性可分為：耐熱鑄造鋁合金、氣密鑄造鋁合金、耐蝕鑄造鋁合金和可焊鑄造鋁合金。因此，提高鑄件生產質量，既要注重實踐經驗的總結，又要發展鑄造工藝理論。多年來，鋁合金鑄造工作者為提高鑄件質量，總結了大量的新技術和新工藝，豐富并發展了鑄造技術理論。本文就對鋁合金鑄造的實用工藝，進行闡述。

1 鑄造鋁合金的工藝特點

1.1 Al-Si 系鑄造合金

Al-Si系鑄造合金的Si含量一般為5%―13%，屬于亞共晶和共晶型合金。也有Si含量超過15%的過共晶鋁合金。Al-Si系具有良好的鑄造性能，氣密性好，流動性好，熱裂傾向小。在Al-Si系合金中主要的強化相有Al2Cu、Mg2Si和Al2CuMg，經過變質處理和熱處理后，合金的力學性能會顯著提高，加上較好的鑄造性能，Al-Si系合金是鑄造鋁合金中品種最多，應用最廣的。ZL102 合金為共晶型合金，具有好的鑄造性能，流動性好，沒有熱裂傾向，氣密性好。但由于生成的共晶硅為粗大的針狀和片狀，割裂了鋁基體組織，力學性能和切削加工性能差，所以合金需要變質處理，改變硅的形態，使共晶硅變細。ZL114A 具有較好的鑄造性能，具有較高的強度且具有較好的塑性，可焊性較好，在航天航空和軍工領域有廣泛的應用。

1.2 Al-Cu 系鑄造合金

Al-Cu 系鑄造合金中 Cu 含量在 4.5%―11%范圍內，Al2Cu 是最主要的強化相，在室溫和高溫下有較好的強度和熱穩定性而且具有較好的切削加工性能。但是鑄造性能比Al-Si系鑄造合金差、氣密性低、耐蝕性差，特別是熱裂傾向較大，給鑄件的生產帶來較大的工藝難度。特別是當含量處于4%―5%時熱裂傾向最大，超過這個含量是的熱裂傾向降低。通過添加中間合金細化晶粒，可以降低合金的熱裂傾向。通過利用原位反應合成技術制備Al-Ti-B中間合金晶粒細化劑細化ZL201合金的鑄造組織，可以基本消除晶界三元共晶組織，改善雜質分布，大大減少鑄造缺陷，大幅度提高材料性能。通過控制合金的凝固條件，當平均凝固速度提高時，二次枝晶間距和枝晶大小都降低，也可以降低熱裂傾向。ZL201 合金為固溶性合金，凝固溫度區間較寬，熱裂傾向較大，鑄造性能較差。ZL201 合金的機械性能較高，熱處理后強度可以達到 300～400MPa。可用作承受大的動載荷和靜載荷的零件，也可用300℃以下溫度工作的零件，用途很廣。

2 鋁合金鑄造的實用工藝

2.1變質處理

近十年來，由于鍶變質劑被越來越多的采用，從而為鋁合金鑄造開拓了新的途徑。

通過使鑄件快速凝固或加入變質劑（通常用鈉或鍶）都可達到變質處理的目的。鈉或鍶變質劑都能明顯地提高延伸率，同時對抗拉強度和屈服強度幾乎無影響或影響很小，并能較改善切削加工性。

在鋁合金鑄件中，尤其是亞共晶合金（iS含量小于12%，例如356合金 ）變質程度是極其重要的。

通過變質可使延伸率有明顯的提高，阻止了初晶硅晶粒的長大，使其保持細小球狀晶粒，因此能獲得較高的延伸率。

為了得到最好的效果，在每次處理時都應對變質劑和變質程度進行認真的分析。因為有些處理法對某種鑄件是合適的，而對另一種鑄件則未必合適。

2.2熱處理

變質是用以提高合金的延伸率，而熱處理用以提高合金的抗拉強度和屈服強度。許多鑄造鋁合金都需要進行熱處理，在這些鋁合金中最普通355，356和357合金。

固熔熱處理的目的是使溶質元素充分溶解。為了達到此目的，鑄件的溫度升到接近于或低于合金的熔化溫度。由于合金的化學成分不 同，因而其固溶溫度也各不相同。下表為推薦用于355，356 和357合金的固溶熱處理的溫度。

鑄件應按表所示的溫度保持足夠長的時間以溶解可溶的組元。溶解所需的時間取決于組元的粗細和晶粒的大小，而組元的粗細和晶粒的大小又與凝固期間的激冷速度有關，就355 和356合金的金屬型鑄件而言，有的工藝規定在此溫度保溫12小時或更長的時間，然后將鑄件淬入熱水中以保持固溶組織。

為保證獲得良好的機械性能，應盡量縮短鑄件從熱處理爐中取出到淬火之間的時間間隔（小于15秒）。

淬火后，鑄件進行沉淀熱處理，這種熱處理方法可獲得通常需很長時間才能得到的鑄件性能，為此沉淀熱處理常常稱之為人工時效。

在人工時效期間，硅、鎂和銅以金屬間化合物從固溶體中析出，部分的硅與鎂化合成Mg2 Si，而剩余的硅以初晶硅存在。

2.3精煉及氣休含量的測定

防止針孔的最好方法是精煉鋁合金液，精煉是鋁合金除氣最廣泛采用的方法，精煉采用產生氣泡的添加劑或用氣體通過熔融的鋁合金液以去除氫和氧化物。

除了氣體精煉劑以外，還使用固體精煉劑。壓制成塊的六氯乙烷是固體精煉劑中最常用的一種，它容易加入鋁液并能生產出質量良好的鑄件。而其缺點是產生有害氣體。

除了能同時去除氣體和氧化物的精煉以外，采用過濾法除去其他的夾雜物也是很有效的。為了去除細小的雜質顆粒可采用泡沫陶瓷過濾片。

為了判斷精煉效果，進行含氣檢驗是必要的。為此最常用的是減壓凝固裝置。這種裝置對于氣體和氧化物的定性測量是可靠的，至于定量測定則可使用爐前測氫氣相色譜儀。

3 結論

和其他金屬相比較鋁的比強度高，表面可以形成嚴密的氧化膜這樣具有一定的抗腐性，如今鋁合金發展迅速，逐漸代替鋼鐵材料適用于現在的各個領域。而且鑄造鋁合金在汽車、輪船、特別是一些航天航空領域更加適用明顯，具有無比廣闊的前景。總之我們需要進一步提高合金的性能，確保生產出合格的鑄件。

參考文獻：

[1]夏巨諶，張啟勛.材料成型工藝.北京：機械工業出版社，2010：41

[2]王文清，李魁盛.鑄造工藝學.北京：機械工業出版社，2009：63-66